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Röntgeneinrichtung, bei der die Röntgenröhre von einem Kondensator
gespeist wird ` Bekanntlich kann man durch Anwendung eines Kondensators Röntgenaufnahmen
von kurzer Dauer mit sehr hoher elektrischer Leistung vornehmen, ohne das zur Verfügung
stehende Leitungsnetz stark zu belasten. Der Kondensator wird mit geringem Ladestrom
bis auf die bestimmte Hochspannung aufgeladen. Die Dauer der Aufladung kann sich
über viele Perioden des für die Speisung des Hochspannungstransformators benötigten
Wechselstromes erstrecken und kann mehrere Sekunden dauern. Die Dauer der wirksamen
Entladung ist von der Glühstromstärke der Röntgenröhre und von dem Anfangswert der
Kondensatorspannung abhängig. Die Entladung kann mit einer Stromstärke stattfinden,
die sehr viele Male größer ist als die Stromstärke bei der Aufladung des Kondensators.
Man kann somit eine Aufnahme mit einer großen Milliamperesekundenz.ahl in einer
sehr kurzen Zeit vornehmen.
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Ein Nachteil bei der Kondensatorentladung ist das Sinken der Spannung
während der Entladung. Mit der Abnahme der im Kondensator aufgespeicherten Ladung
Q vermindert sich die Spannung V des Kondensators, die der Ladung Q proportional
ist, und zwar ist
wenn C die Kapazität des Kondensators ist. Wenn die Spannung, mit der die Entladung
des Kondensators anfängt, den Wert E hat, so ändert sich die:
Spannung
mit der Zeit t, während der Entladung über einen konstanten Widerstand R, nach der
Gleichung
Fig. r der Zeichnung gibt ein Beispiel für den Spannungsverlauf bei der Kondensatorentladung
über einen konstanten Widerstand. Um die Spannungsänderung während der Aufnahme
innerhalb gewisser Grenzen zu halten, kann man die Kapazität des Kondensators vergrößeren.
Die Berührungslinie EP in dem Punkt L' = F_ der Spannungskurve (Fig. r) schneidet
von der Zeitachse ein Stück 0 P = C R. ab. Wenn man also C größer macht; wird OP
größer, hat also die Kurve eine weniger starke Neigung und fällt die Spannung weniger
rasch ab. Je weniger Spannungsänderung man während einer Aufnahme von bestimmter
Dauer und mit bestimmter Milliamperesekundenzahl zulassen will, umso größer muß
die Kapazität des Kondensators sein. Auf jeden Fall kann sich nur ein verhältnismäßig
geringer Teil der im Kondensator aufgehäuften Energie an der Strahlenaussendung
beteiligen. Der größere Teil bleibt im Kondensator zurück, wenn die Röhre rechtzeitig
ausgeschaltet wird, oder geht unbenutzt verloren, wenn eine Aussehaltung nicht stattfindet.
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Man hat schon vorgeschlagen, einen Kondensator mit variabeler Kapazität
zu verwenden und während der Entladung die Kapazität C derart zu vermindern, daß
das Verhältnis zwischen O und C immer dasselbe bleibt und somit h konstant ist.
Diese Lösung ist praktisch nicht ausführbar, weil die rasche Kapazitätsänderung
eine Arbeit erfordert, die ebenso groß ist wie die Aufladung des Kondensators durch
die vorhandene Stromquelle und in der kurzen Belichtungszeit geleistet werden muß.
Der Vorteil der Energieaufspeicherung würde also ganz verlorengehen, wenn man die
Spannung durch Änderung der Kapazität während der Entladung konstant halten wollte.
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Ein anderes Mittel, um die Form der Spannungskurve zu verbessern,
besteht darin, daß man einen nveiten Energiespeicher verwendet. So ist es bekannt,
mit der Röhre eine Drosselspule in Reihe zu schalten, die so bemessen ist, daß sie
im Anfang der Entladung die Spannung aufnimmt und mit allmählich abnehmender Wattzahl
einen Teil der vom Kondensator abgegebenen Energie sammelt, um denselben, nachdem
die .Röhrenspannung bis zum einem Wert gleich der Kondensatorspannung angewachsen
ist, wieder an die Röhre abzugeben. Hierdurch w itrd erreicht, daß die Kurve der
Röhrenspannung einen aufsteigenden und einen sinkenden Teil hat. Dazwischen liegt
ein Punkt, wo,sie eine parallel zur Zeitachse liegende Linie berührt. Die Kurve
hat dann wenigstens einen Teil, wo die Spannung nicht allzu stark variiert, denn
sowohl links als rechts des Scheitelpunktes treten dieselben Spannungswerte auf.
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Es ist auch schon eine Röntgeneinrichtung bekanntgeworden, bei der
ein Kondensator durch eine dauernd mit ihm verbundene Hochspannungsquelle aufgeladen
wird. Bei Entladung über die Röntgenröhre wird hierbei anfangs der Röhrenstrom durch
den Kondensator geliefert, später nach Absinken der Kond'ensatorspannung jedoch
aus der Hochspannungsquelle entnommen. Damit die Leistungsaufnahme aus dem Netz
nicht zu groß wird, ist gleichzeitig dafür gesorgt, daß der innere Widerstand der
Röntgenröhre vom Beginn der Entladung ab steigt. Diese 1Za13-nahme ermöglicht es,
Aufnahmen von längerer Dauer herzustellen, als es unter alleiniger Verwendung der
Kondensatorentladung möglich ist, jedoch ist keineswegs die Spannung an der Röntgenröhre
konstant, da naturgemäß die Leistungsentnahme aus dem Kondensator mit einer Verringerung
seiner Spannung und damit der Röhrenspannung gepaart geht.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Zweck, einerseits den Energieinhalt
des Kondensators besser auszunutzen, andererseits dafür zu sorgen, daß die Spannung
an der Röntgenröhre weitgehend konstant ist. Erfindungsgemäß ist in den Entladungsstromkreis
de: die Röntgenröhre speisenden Kondensators in Reihe mit der Röntgenröhre eine
den Spannungsunterschied zwischen Kondensator und Röhrenspannung aufnehmende, gittergesteuerte
Entladungsröhre geschaltet, deren Steu:rgitter ein von der Röhrenspannung derart
abhängiges Potential erhält, daß die Spannung an der Röntgenröhre auch hei sich
ändernder Kondensatorspannung konstant bleibt. Die gittergesteuerte Entladungsröhre
nimmt einen Teil der Kondensatorspannung auf und vernichtet einen Teil der aufgespeicherten
Energie. Die Verwendung einer Entladungsröhre als Energieverbraucher hat u. a. den
Vorteil, daß der Widerstand des Energieverbrauchers leicht und trägheitslos geregelt
werden kann. Auch kann die Röhre dazu verwendet werden, den Entladungsstrom ein-
und auszuschalten.
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Das Potential des Steuergitters dieser Röhre wird auf einen solchen
Wert gebracht, daß die Spannung an der Röntgenröhre einen praktisch konstanten Wert
erhält. Zweckmäßig verbindet man das Gitter über eine Quelle konstanter, positiver
Vorspannung mit einem Punkte, dessen Potentialunterschied gegenüber der Kathode
der Steuerröhre negativ ist und sich mit der Spannung an der Röntgenröhre gleichsinnig
ändert. Es ergibt sich dabei die Möglichkeit, die Spannung an
der
Rpntgenröhre innerhalb weiter Grenzen beliebig zu wählen, wenn die positive Vorspannung
oder das Verhältnis der negativen Zusatzspannung zu der Röhrenspannung oder diese
beide regelbar sind.
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Das günstige Verhältnis zwischen der in der Röntgenröhre verbrauchten
und in dem Kondensator aufgespeicherten Energie erhält man, wenn die Kondensatorspannung
das Doppelte der Röhrenspannung .beträgt. Es ist darum die Spannung, auf welche
der Kondensator aufgeladen wird, zweckmäßig, doppelt so hoch zu wählen wie der mittlere
Wert des "erlangten Bereiches der Röhrenspannung.
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In Fig. 2 der Zeichnung ist die Kondensatorspannung als Funktion der
Milliamperesekundenzahl eingetragen. Wenn Q1 die im Kondensator bei Beginn der Entladung
vorhandene Ladung ist, so ist die nach einer Zeit t vorhandene Ladung
O = C T! = 01-,f idt. Die Abhängigkeit zwischen Kondensatorspannung
und Milliamperesekunden ist somit linear. Die Gerade S U stellt den Verlauf der
Spannung als Funktion der - Milliamperesekundenzahl dar.
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Wenn die erfindunggemäß konstant gehaltene Röhrenspännung ER --. 0
Ei ist, so stellt das Rechteck OEIX11111 die Energie dar, welche von der Röhre bei
konstanter Spannung verbraucht wird. Wenn 0 El =1/2 0 S, beträgt diese Energie 5o
% des gesamten Energieinhaltes des Kondensators. Der Halbkreis mit 1V11 als
Mittelpunkt und !1T10 als Radius stellt als Funktion der Milliamperesekunden die
verfügbare Energie V,i'idt dar. Wenn bei einem bestimmten Anfangswert 0 S der Kondensatorspannung
die Röhrenspannung, z. B. 0 E2, gewählt wird, so ist das Rechteck O E2 X2lVl,
das Maß für die nützliche Energie. Wählt man die Röhrenspannung 0E3, so ist
die Energie 0E3 X3 11I3. Die Ordinate NI21V2 und Ms 1V3 für f idt --_ 01ill2 bzw.
01113 sind proportional dem Inhalt dieser Rechtecke. In der Figur ist M2 N2
= M3 N3 gewählt. Bei zwei verschiedenen Röhrenspannungen können also Aufnahmen
mit gleicher Wattsekundenzahl gemacht werden.
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Ist die Röhrenspannung 0 Ei, so wird die durch das DreieckE,X@S dargestellte
Energie im vorgeschalteten Verbraucher vernichtet, die Energie, welche durch das
Dreieck X11V11 U dargestellt wird, bleibt, wenn der Röhrenstrom rechtzeitig
ausges;fhaltet wird, im Kondensator zurück. Für die nächste Aufnahme braucht dann
nur die Energie 01111 X 1S dem Kondensator zugeführt zu werden.
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Die Vorteile der Einrichtung nach der Erfindung sind besonders aus
Fig. 3 ersichtlich. Diese Figur gibt einen Vergleich zwischen einer Einrichtung
ohne stromregelnden Verbraucher und einer Einrichtung nach der Erfindung. Angenommen
die Spannung an der Röhre darf nicht mehr als 200/"während der Aufnahme sinken.
Man kann dann einen Kondensator mit einer Kapazität
verwenden und, wenn die Spannung von O G auf KH=o,8 OG herabgesunken ist, den Strom
unterbrechen. Von der genannten Energieeinheit 0 L G des Kondensators hat
inan dann den Teil OKHG verbraucht, das ist 33 °/o.
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Gemäß der Erfindung kann man einen Kondensator mit viel geringerer
Kapazität verwenden, z. B. einer Kapazität
= o,2 Cl, und diesen bis auf die Spannung 0A aufladen. Diese Spannung ist
so hoch gewählt, daß sie gleich 0 G + KH ist. Wird dabei die Röhrenspannung
auf O F ='/2 0 A eingestellt, so daß -sie denselben Wert wie die Röhrenspannung
im ersten Fall durchschnittlich hat, so wird von dem Energieinhalt OB A des
Kondensators So 0/, nützlich verbraucht und die Wattsekundenzahl ist in beiden Fällen
diesebbe.
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Ist z. B. die Kapazität C2 - 4,uF und die Spannung O A = ioo kV, so
ist der gesamte Energieinhalt des Kondensators 2okWs. Davon werden bei einer Röhrenspannung
von Co kV io kWs nützlich verbraucht. Um dieselbe Energie mit einer nicht konstant
gehaltenen Spannung, deren Anfangswert 55 kV und deren Endwert 451-,V ist, zu erreichen,
muß der Kondensator eine Kapazität von 2o,uF besitzen und darin muß man 30, 25 kWs
aufspeichern.
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Die Erfindung bringt also die Vorteile, daß die Röhrenspannung günstiger
wird, weil sie während der Aufnahme konstant ist, daß die durch. -das Netz zu liefernde
Energie geringer sein kann und besonders, daß man eine viel geringere Kapazität
braucht, um Aufnahmen mit einer bestimmten Wattsekundenzahl vorzunehmen.
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Die Aufladevorrichtung kann während der Kondensatorentladung von der
Röntgenröhre getrennt sein. Die Fig. 2 und 3 beziehen sich auf diesen Fall.
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Während der Entladung sinkt dabei die Kondernsatorspannung rasch ab.
Die Spannung an der Röntgenröhre sinkt nur sehr wenig. Die Gitterspannung der Steuerröhre
wird dadurch allmählich etwas weniger negativ, und wenn die Kondensatorspannung
L' so weit gesunken ist, daß sie nur noch wenig größer als ER ist, fängt die Leitfähigkeit
der Steuerröhre merklich zu steigen an. Die noch vorhandene Spannung entfällt dann
praktisch ganz auf die Röntgenröhre. Diesen Teil der Kondensatorentladung wird man
in der Regel nicht für die Aufnahme verwenden, weil die
Spannung
dabei einen veränderlichen Wert hat, der bald so gering ist, daß die Röhre als Strahlenquelle
unwirksam wird. Man wird daher die Röhre meistens vorher abschalten.
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Die Aufladevorrichtung kann auch mit der Röhre verbunden bleiben.
Dabei kann man entsprechend der deutschen Patentschrift 659 oid den inneren Widerstand
der Röntgenröhre erhöhen, so daß der Spannungsabfall in der Speisevorrichtung so
klein bleibt, daß dem sich einstellenden Gleichgewichtszustand, wenn der Kondensator
in jeder Periode des Wechselstromes ebensoviel Ladung aus der Stromquelle aufnimmt
wie vom Kondensator an die Röhre abgegeben wird, die Spannung an der Röhre zum Aussenden
von Röntgenstrahlen ausreicht.
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Wird der innere Widerstand der Röntgenröhre nicht während der -Kondensatorentiadungerhöht,
so wird im allgemeinen, nachdem die im Kondensator aufgespeicherte Energie verbraucht
ist, ein Gleichgewichtszustand entstehen, bei dem die Spannung fier die Strahlenerzeugung
zu gering ist. Man verwendet ja einen Kondensator, um mit einer verhältnismäßig
schwachen Speisevorrichtung auskommen zu können, die bei Belastung mit einem geringen
Widerstand die aufgedrückte EllI h größtenteils selbst verzehrt. Es ist in diesem
Falle nicht nötig, den Strom rasch abzuschalten, vorausgesetzt, daß die Ladevorrichtung
die kurzschlußartige Belastung mit dem geringen Widerstand der Röntgenröhre verträgt
und das Netz nicht zu stark belastet wird.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Schaltung einer Einrichtung
nach der Erfindung, bei der die Speisevorrichtung während der Entladung des Kondensators
mit der Röntgenröhre verbunden bleibt. Der Hochspannungstransformator i, von dem
nur die Sekundärwicklung gezeichnet ist, lädt über die Ventile 2 und 3 (vorzugsweise
Glühkathodenröhren) die Kondensatoren -. und auf. Diese können sich über die Röntgenröhre
6 und die mit ihr in Reihe geschaltete Dreipolröhre 7, die als Steuerröhre dient,
entladen. Die Kathode 8 der Röhre 7 ist mit der Anode 9 der Röntgenröhre 6 über
eine Schutzdrossel io (gegen Röhrendurchschläge) verbunden. Ein Widerstand i i verbindet
die Anode 9 mit der Kathode 12 der Röntgenröhre. Die erforderlichen Glühstromkreise
für die Glühkathoden 8 und 12 und für die Glühkathoden der Ventile 2 und 3 sind
in der Zeichnung nicht angegeben.
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Das Gitter 13 der Steuerröhre 7 ist über einen Widerstand i-., eine
Quelle konstanter, positiver Vorspannung 15 und einen Schalter 16 mit einer Anzapfung
17 des Widerstandes ii verbunden. Die Röhrenspannung sei E und die Spannung zwischen
der Anode 9 und dein Punkt 17 E/ii. Wenn ferner die Spannung der Quelle 15ä
ist, so ist die Gitterspannung der Röhre 7
Die Röhrenspannung läßt sich nun wie folgt in einer Formel ausdrücken:
D ist hierin der Durchgriff der Röhre 7 und l' die Spannung zwischen der Anode 18
und der Kathode 12. Wenn man nun darauf achtgibt, daß VD sehr klein ist mit Bezug
auf g, so ist E konstant. Meistens wird n D klein sein mit Bezug auf L. E
ist dann ungefähr proportional n.
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Angenommen die Leerlaufspannung des Transformators i sei o,5 V1, dann
ist die Spannung T% zwischen der Anode 18 und der Kathode i2 mit der die Belastung
anfängt, ungefähr b'1. Davon entfällt durch die Wirkung der Steuerröhre 7 nur ein
Teil ER auf die Röntgenröhre, z. B. 5o °% von hl.
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Was nach Einschaltung des Entladungsstromes mit den Spannungen geschieht,
hängt davon ab, wie hoch die Stromstärke der Röntgenröhre ist. Ist diese Stromstärke
auf einen so kleinen Wert eingestellt, daß die von der Röntgenröhre aufgenommene
Leistung kleiner ist als die Leistung, bei der die Ladevorrichtung einen Spannungsverlust
V,-ER hat, so entsteht ein Gleichgewichtszustand, bei dem die Kondensatorspannung
h immer oberhalb ER und die Spannung an der Röntgenröhre E ungefähr gleich
ER bleibt. Man kann hiervon Gebrauch machen, um Durchleuchtungen oder Aufnahmen
von längerer Dauer mit geringer Leistung und beliebig einstellbarer Spannung
ER zu machen.
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Wird aber die-Röhrenstromstärke auf einen Wert eingestellt, bei dem
der Spannungsverlust der Aufladevorrichtung größer ist als der Unterschied zwischen
h, und Ex beträgt, so wird, solange die Kondensatorspannung höher als ER ist, den
Kondensatoren mehr Ladung entnommen, als ihnen durch die Ladevorrichtung zugeführt
wird. Wird dann der Schalter 16 nicht geöffnet, so sinkt während der Belastung die
Kondensatorspannung. Solange L- noch beträchtlich höher als ER ist. bleibt die Spannung
E praktisch konstant. je geringer der Unterschied z-vischen L' und E wird, um so
stärker nimmt auch E ab. Dadurch wird die vom Spannungsteiler i i abgegriffene negative
Gittervorspannung beträchtlich kleiner, die Leitfähigkeit der Röhre 7 größer, so
daß schließlich die Spannung E mit der Kondensatorspannung zusammenbricht und auf
einen unterhalb ER liegenden Wert zurückfällt, der desto geringer
ist,
je größer die eingestellte Röhrenstromstärke ist, und so klein sein kann, d:aß keine
Aussendung von Röntgenstrahlen mehr stattfindet.
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Um den Strom in der Röntgenröhre zu unterbrechen, ist der Schalter
16 vorgesehen, der durch eine Spule ig geöffnet werden kann. Zur Erregung :der Spule
ig kann eine automatisch wirkende Vorrichtung; -wie z. B. eine Zeitschaltvorrichtung
oder ein Milliamperesekundenrel.ais, vorgesehen sein. Sobald der Schalter 16 geöffnet
wird, wird das Gitter der Steuerröhre, das über eine Quelle negativer V orspannung
2o und einen hohen Widerstand 2i- mit der Anzapfung 17 verbunden ist, negativ. Die
Steuerröhre ist dann nicht mehr leitend und der Strom wird unterbrochen. Die Milliamperesekundenzahl
kann hierdurch beliebig begrenzt werden.
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Die Ventile in dem Ladekreis können zweckmäßig dazu benutzt werden,
das Netz oder den Transformator gegen Überlastung zu schützen, indem sie durch ihren
Sättigungsstrom die Aufladeleistung begrenzen. Die Glühkathodenheizung der Ventile
wird dann so eingestellt, d-aß sie auch bei Kurzschluß der Kondensatoren oder bei
ungeladenen Kondensatoren keinen größeren Strom aufnehmen als der höchstzulässigen
Belastung des Netzes oder des Transformators entspricht. Es kann dann erwünscht
sein, die Ventile mit einem Schirm zu 'umgeben, der Röntgenstrahlen absorbiert,
weil u. a. die Spannung an den. Ventilen bis auf einen Wert, bei dem eine merkliche
Strahlung stattfindet, zunehmen kann, wenn der Sättigungspunkt erreicht ist. .
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Um auch bei Aufnahmen mit einer Strombelastung größer als die, welche
die Aufladevorrichtung bei einer nützlichen Röhrenspannung liefern kann, eine wirksame
Stromlieferung direkt aus dem Netz zu erzielen, kann man während der Kondensatorentladung
den Widerstand der Röntgenröhre erhöhen und dadurch das Gleichgewicht nach einer
höheren Spannung E verlegen., bei der brauchbare Röntgenstrahlen erzeugt werden.